第1章 工业互联网概述

1.1 工业互联网简介

1.1.1 认识工业互联网

随着新型工业化的深入发展，工业互联网成为全球促进经济高质量发展的共同选择，我国是制造大国和互联网大国，丰富的应用场景和广阔的市场空间为推动工业互联网创新发展提供了强大动能。

1.工业互联网介绍

工业互联网（Industrial Internet）是互联网和新一代信息技术在工业领域、全产业链、全价值链中的融合集成应用，是实现工业智能化的综合信息基础设施。它的核心是通过自动化、网络化、数字化、智能化等新技术手段提升企业生产力，从而实现企业资源的优化配置，最终重构工业产业格局。

（1）工业互联网的意义

工业互联网是以互联网为代表的新一代信息技术在工业领域的应用和发展，是造就数字工业的基础工具。工业互联网将促进传统工业制造体系和服务体系再造，是未来制造业竞争的制高点，正在推动创新模式、生产方式、组织形式和商业范式的深刻变革，推动工业链、产业链、价值链的重塑再造。可以肯定地说，工业互联网必将对未来工业发展产生全方位、深层次、革命性的变革，对社会生产力、人类历史发展产生深远影响。

（2）工业互联网的本质

工业互联网通过人、机、物的全面互联，实现全要素、全产业链、全价值链的全面连接，将推动形成全新的生产制造体系和服务体系，其本质是以机器、原材料、控制系统、信息系统、产品及人的网络互联互通为基础，通过对工业数据的全面深度感知、实时传输交换、快速计算处理及高级建模分析，实现智能控制、运营优化和生产组织方式的变革。

2.工业互联网技术体系

作为新型网络基础设施，工业互联网是新一代信息技术与先进工业的连接纽带，并与物联网、大数据、信息技术、网络安全等密切相关且相互影响。构建工业互联网标准体系，不仅需要对工业互联网技术体系进行研究，也需要对物联网、大数据、信息技术、网络安全等相关方向进行梳理。

一般认为工业互联网技术体系由制造技术、信息技术以及由这两大技术交织形成的融合性技术组成。其中，制造技术构建了专业领域技术和知识基础体系，是工业数字化应用优化闭环的起点和终点，并贯穿于设备、边缘、企业等工业互联网系统各层的落地实施。以5G、TSN、边缘计算为代表的信息技术，可直接作用于工业领域，支撑工业互联网的通信、计算、安全基础设施。以人工智能、数字孪生、区块链、VR/AR等为代表的融合性技术，构建符合工业特点的数据采集、处理、分析体系，并重新定义工业知识积累和使用方式，以提升制造技术优化发展的效率和效能，同时推动信息技术不断向工业核心环节渗透。

制造技术和信息技术的突破是工业互联网发展的基础，例如增材制造、现代金属、复合材料等新材料和加工技术不断拓展制造能力边界，云计算、大数据、物联网、人工智能等信息技术则提升了人类获取、处理、分析数据的能力。制造技术和信息技术的融合还进一步强化了工业互联网的赋能作用，催生工业软件、工业大数据、工业人工智能等融合性技术，使机器、工艺和系统的实时建模和仿真，产品和工艺技术隐性知识的挖掘和提炼等创新应用成为可能。

值得注意的是，工业互联网的技术体系是工业互联网体系架构落地实施的重要支撑。由于工业互联网技术已经超出了单一学科和工程的范围，因此需要将各个独立的技术联系起来，以构建一个相互关联、各有侧重的新技术体系。

3.工业互联网与传统互联网的区别

工业互联网与传统互联网相比有如下四个明显区别。

一是连接对象不同。传统互联网连接的对象主要是人，应用场景相对简单，工业互联网需要连接人、机、物、系统等，连接种类和数量更多，场景十分复杂。

二是技术要求不同。传统互联网技术的特点主要体现为“尽力而为”的服务，对网络性能要求相对不高。工业互联网则必须具有更低时延、更强可靠性和安全性，以满足工业生产的需要。

三是发展模式不同。传统互联网应用门槛低，发展模式可复制性强，产业由互联网企业主导推动，并且投资回报周期短，容易获得社会资本的支持。工业互联网行业标准多、应用专业化，难以找到普适性的发展模式，制造企业在产业推进中发挥至关重要的作用。工业互联网资产专用性强，投资回报周期长，难以吸引社会资本投入。

四是时代机遇不同。我国在互联网时代起步较晚，总体上处于跟随发展状态，而目前全球工业互联网产业格局未定，我国正处在大有可为的战略机遇期。

4.工业互联网与数字经济

工业互联网作为新型基础设施建设的重要组成部分，是推动数字经济与实体经济深度融合的关键。发展工业互联网对于推动数字经济转型有以下几点重要意义。

（1）提供新型通用基础设施支撑

工业互联网具有较强的渗透性，不仅用于工业领域，还能与能源、交通、农业、医疗等整个实体经济各个领域融合，为各行业数字化转型升级提供必不可少的网络连接和计算处理平台，加速实体经济各领域数字化进程。

（2）提供发展新动力

工业互联网能促进各类资源要素优化配置和产业链紧密协同，帮助各实体行业创新产品和服务研发模式、优化生产制造流程，不断催生新模式新业态，延长产业价值链，促进新动能蓬勃兴起。

（3）加速构建与之匹配的新产业体系

工业互联网将促进传统工业制造体系和服务体系再造，推动以网络为基础依托、以数据为关键资源、以智能生产和服务为显著特征的新产业体系加速形成，带动共享经济、平台经济、大数据分析、供应链金融等以更快速度、在更大范围向更深层面拓展。

2021年3月，《中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035年远景目标纲要》发布，提出积极稳妥发展工业互联网，并将工业互联网作为数字经济重点产业，培育形成具有国际影响力的工业互联网平台，推进“工业互联网+智能制造”产业生态建设。2022年，作为数字经济领域的首部国家级专项规划《“十四五”数字经济发展规划》中两次提到工业互联网，工业互联网基础设施和产业供应链体系建设成为“十四五”期间数字经济发展领域工作重点。2023年是全面贯彻落实党的二十大精神的开局之年，是实施“十四五”规划承上启下的关键一年。为促进我国工业互联网快速发展，2023年6月，工信部印发《工业互联网专项工作组2023年工作计划》，围绕政策体系、融合应用、产业生态等方面提出11项重点行动、54项具体举措，加快推进工业互联网创新发展。

1.1.2 工业互联网的组成与应用

计算机在问世之初主要用于数值计算，发展到现在，计算机已经广泛应用于数据处理、过程控制、计算机辅助设计、计算机辅助制造、计算机辅助教学、人工智能、多媒体技术和计算机网络等各个方面。和其他的计算设备相比，计算机具有运算速度快、计算精度高、逻辑判断能力准确、存储容量大等特点，这些特点使得计算机越来越普及，直接影响着人们的生存和发展。

1.工业互联网的组成

工业互联网包含网络、平台、数据、安全，它既是工业数字化、网络化、智能化转型的基础设施，也是互联网、大数据、人工智能与实体经济深度融合的应用模式，同时也是一种新业态、新产业，将重塑企业形态、供应链和产业链。

（1）网络体系

工业互联网网络体系包括网络互联、数据互通和标识解析三部分。网络互联实现要素之间的数据传输，包括企业外网、企业内网。企业外网根据工业高性能、高可靠、高灵活、高安全网络需求进行建设，用于连接企业各地机构、上下游企业、用户和产品。企业内网用于连接企业内人员、机器、材料、环境、系统，主要包含信息技术（IT）网络和运营技术（OT）网络。数据互通是通过对数据进行标准化描述和统一建模，实现要素之间传输信息的相互理解，数据互通涉及数据传输、数据语义语法等不同层面。标识解析实现要素的标记、管理和定位，由标识编码、标识解析系统和标识数据服务组成。我国标识解析体系包括五大国家顶级节点、国际根节点、二级节点、企业节点和递归节点。

（2）平台体系

工业互联网平台体系包括边缘层、IaaS、PaaS和SaaS四个层级，相当于工业互联网的“操作系统”。工业互联网平台有四个主要作用。一是数据汇聚：网络层面采集的多源、异构、海量数据，传输至工业互联网平台，为深度分析和应用提供基础。二是建模分析：提供大数据、人工智能分析的算法模型和物理、化学等各类仿真工具，结合数字孪生、工业智能等技术，对海量数据进行挖掘分析，实现数据驱动的科学决策和智能应用。三是知识复用：将工业经验知识转化为平台上的模型库、知识库，加速共性能力沉淀和普及。四是应用创新：面向研发设计、设备管理、企业运营、资源调度等场景，提供各类工业App、云化软件，帮助企业提质增效。

（3）数据体系

工业互联网数据体系有三个特性。一是重要性：数据是实现数字化、网络化、智能化的基础，没有数据的采集、流通、汇聚、计算、分析，各类新模式就是无源之水，数字化转型也就成为无本之木。二是专业性：工业互联网数据的价值在于分析利用，分析利用的途径必须依赖行业知识和工业机理。三是复杂性：工业互联网运用的数据来源于“研产供销服”各环节，“人机料法环”各要素，ERP、MES、PLC等系统，维度和复杂度远超消费互联网，面临采集困难、格式各异、分析复杂等挑战。

（4）安全体系

工业互联网对移动互联具有较高的要求，这就意味着平台自身需要可靠的网络保障，进而高效地实现信息互通。工业互联网安全体系涉及设备、控制、网络、平台、工业App、数据等多方面网络安全问题，其核心任务就是通过监测预警、应急响应、检测评估、功能测试等手段确保工业互联网健康有序发展。与传统互联网安全相比，工业互联网安全具有三大特点。一是涉及范围广：工业互联网打破了传统工业相对封闭可信的环境，网络攻击可直达生产一线。二是造成影响大：工业互联网涵盖制造业、能源等实体经济领域，安全事件影响严重。三是企业防护基础弱：目前我国广大工业企业安全意识、防护能力仍然薄弱，整体安全保障能力有待进一步提升。

工业互联网面向千行百业，必须与各行业各领域技术、知识、经验、痛点紧密结合，这不仅意味着工业互联网的多元性、专业性、复杂性更为突出，也决定了发展工业互联网非一日之功、难一蹴而就，需要持续发力。

2.工业互联网的应用

随着新技术的快速发展和应用，全球工业正在从传统的供给驱动型、资源消耗型、机器主导型、批量规模型向需求引导型、资源集约型、人机互联型、个性定制型转变。工业互联网是工业企业开展数字化转型的基本路径和方法。目前，工业企业数字化转型主要有数字化研发设计、大数据市场细分、个性化规模定制、智能化精准制造、网络化协同运作、信息化运营管理、制造业服务延伸等形态。图1-1显示了在工业生产中生产现场的多台设备按需灵活组成一个协同工作体系，实现多个设备的协同调度及分工合作。

目前，电力行业、电子行业属于技术密集型行业，是现阶段工业互联网普及程度最高的行业。此外，石油化工、钢铁、交通设备制造行业对提高企业运行效率和精益管理也有较高的意愿，工业互联网的发展在这些行业领域也有较好的应用。

以钢铁行业为例，钢铁行业面临生产过程中高耗能、高排放，因环保限产等压力。并且，钢铁行业人员流动性较高，工艺原理复杂，很难将管理方法和行业知识沉淀下来。因此，基于企业实际需求，构建工业互联网平台，对炼铁高炉等设备开展实时运行监测、工艺优化、质量管理、资产管理、能源管控，能够提升产线运行效率，降低能耗和排放。此外，通过将经验和知识模块化，能够大幅减少停机故障和安全事故。

以航天工业为例，开发普通产品时，工程师们还可以通过实物试验来测试产品性能，修改设计方案、迭代优化，但如果是像“天问一号”这样的火星探测器，就无法在真实的应用场景进行实物试验。这时，就需要对“天问一号”的各个子系统，以及从地球飞向火星的轨迹、火星大气和着陆区环境等，建立数字孪生模型，开展仿真试验。